0 引  言

BIM被定义为由完全和充足信息构成以支持全生命周期管理，并可由计算机应用程序直接解释的建筑工程信息模型[1]。我国在《2011-2015年建筑业信息化发展纲要》第一次明确提到BIM技术，强调加快普及BIM应用。2013年6月，中国铁路总公司在全路工程建设信息化推进会议上确定了开展铁路BIM技术研究的总体规划。同年年底，铁路BIM联盟应时而生，制定和发布了一系列BIM技术标准和BIM实施标准[2-5]，通过部署试点项目的方式积极推进BIM技术在铁路工程设计、建设、运营全生命周期的应用。

铁路信号设计包括车站信号设计和区间信号设计，细分为联锁系统、列车控制系统、闭塞系统、调度集中、列车调度指挥系统、动车段（所）控制集中系统、信号监测系统、无线调车机车信号和监控系统、驼峰信号系统、电源系统等。传统信号设计中各系统的相互联系和制约关系即是铁路信号BIM技术应用的切入点，对以上各子系统分别创建对应的信息模型，并建立相互之间的数据信息传递流，将相互关系关联标准化、参数化，以实现各系统模型之间的制约联系关系。

1 现  状

BIM设计软件是铁路BIM技术的研究应用的基础[6]，目前占市场份额较多的几家BIM软件均有较强的精细建模能力，但在铁路BIM行业国外软件普遍存在本地化程度不高的问题，还需在平台原生功能的基础上结合标准与专业特点进行二次开发。国内各家铁路设计院已陆续对桥梁、隧道、路基、轨道等站前专业[7-11]及电气化等站后专业[12-13]的BIM设计软件二次开发和应用进行了研究，而针对铁路信号BIM设计软件的相关研究[14-16]还相对较少，因此开展结合铁路信号专业特点和BIM设计应用特性的铁路信号BIM设计技术研究很有必要。

铁路信号专业不同于与土建等专业以空间场景设计为主，铁路信号专业设计更多的是逻辑连接关系的内容设计，空间场景中的设备布置则是逻辑连接关系的一部分呈现，但相关标准[17]针对铁路信号工程设计质量控制要点明确提出了使用BIM技术的要求。目前，信号室内BIM设计主要体现机柜设备的布局和布线工艺，信号室外BIM设计主要反映点状分布的信号设备安装工程及电缆沟槽管道等建筑工程，利用BIM技术的可视化、协调性和优化性等特点开展BIM应用，解决设备空间布局、线缆布设、信号显示和专业间接口等关键问题。

本文以铁路信号车站室外BIM设计技术为研究对象，研究满足铁路信号专业BIM设计需求的技术和平台。

2  铁路信号BIM设计

2.1 传统翻模与正向设计

在国内，BIM设计的主流是先完成施工图，然后根据施工图再建立三维模型，也就是我们现在说的翻模。而所谓的BIM正向设计是在项目从草图设计阶段至交付阶段全部过程都是由BIM三维模型完成。采用翻模的设计方式效率低，不完全符合正向设计的要求，但目前限于标准和规范不完善、BIM技术发展的现状，还很难做到完全意义上的BIM正向设计[18]。因此，研究一种既可以取代翻模方式，又可以推动BIM正向设计发展的准正向设计技术具有很大的现实价值。

2.2 既有成果利用

二维信号辅助设计软件起步较早，经过多年的技术积累和沉淀，已经形成完善的信息化辅助设计系统。既有铁路信号辅助设计系统主要包括计算机联锁设计系列软件、区间自动闭塞设计系列软件、列控设计系列软件等软件体系。

既有辅助设计软件采用产品数据管理 (PDM) 的技术进行统一管理形成系统，系统基于基础字典库、设计数据库、接口数据库进行设计工作，在生成图纸成果的同时，生成标准化的设计数据成果并存入成果数据库中。同时，辅助设计系统进行信息化改造时，考虑了为BIM设计预留数据接口，为后续进行信号BIM设计软件的开发创造了有利条件。

图1 信号专业BIM设计流程图

2.3 数据驱动的技术路线

基于Bentley公司核心建模软件MicroStation，采用以数据驱动为核心、BIM标准为基础、设计需求为驱动的技术路线。重点围绕专业数据标准化建构、快速自动化建模、二三维联动出图算量及BIM成果应用等几个方面分阶段、分模块开展专业化软件功能定制开发工作。以信号专业数据库（专业设计数据库、项目设计数据库及专业数据字典）为核心，以信号BIM构件库和二维图库为基础，构建BIM设计模式下信号专业系统化的设计方法、软件工具和作业模式，实现信号专业信息化模型的快速创建及数字化成果表达。

以信号机的BIM设计为例，首先进行二维CAD设计，确定编码、图块、坐标、名称、所属轨道、连接关系等信息，进而在三维车站线条图中，首先调用设计数据和查询数据字典，然后进行坐标变换、构件库映射和调用和编码补充等工作，确定信号机和箱盒的模型、平面位置、高程、朝向和其他相关信息，最后将站场BIM模型参考进来完成信号机的初步设计，进行计算机智能校审和人工审核后对数据进行完善修改更新，最后实现二、三维设计的同步更新。

图2 数据驱动技术路线图

3  软件架构及关键技术

以C#为二次开发语言，以VS2017为开发工具，基于MicroStation成熟的图形引擎和开发接口，采用SQLite本地数据、云服务数据库技术，利用自研的电缆自动布设算法，开发了符合铁路信号专业需求和数字工程标准的BIM设计平台。

3.1 软件总体架构

为了降低系统模块间的耦合度、提高代码复用，软件采用经典的三层架构模式，即表现层、业务逻辑层和数据访问层。表现层主要是指与用户交互的界面，用于接收用户输入的数据和显示处理后用户需要的数据。业务逻辑层是表现层和数据访问层之间的桥梁，实现计算、分析、验证等业务逻辑。数据访问层负责将存储在数据库中的数据提交给业务层，同时将业务层处理的数据保存到数据库。

图3 软件总体架构图

3.2 关键技术

3.2.1 标准化技术

依据《铁路工程信息模型分类与编码标准》、《铁路工程实体结构分解指南》、《铁路四电工程信息模型数据存储标准》、《铁路工程信息模型表达标准》等标准，编制信号专业企业级的《BIM设计成果交付标准》、《BIM设计流程和数据接口暂行规定》、《BIM设计应用指南》等标准。

研究信号专业结构树组成与构件划分，制定划分信号专业最小设计单元和建立专业结构树技术原则，形成最小构件结构树，并对结构树成果进行结构化，形成专业节点XML文件与节点属性结构化数据。

按照简明性、唯一性、可扩充性和实用性的原则，基于信号专业结构树对最小构件进行结构化编码。构件模型的属性信息统一在数据层面解决，包括标准的基础信息和具体的工程信息。编码作为重要的属性信息，将编码和构件的实际存储ID相关联，自动建模完成后，可通过工点各构件编码可重构工点工程的专业结构树，实现构件模型的定位、查询、修改、更新等管理功能。

3.2.2数据库技术

以实现信号专业BIM信息化为目标，建立了完整的信号专业数据库，并以核心数据为基础，开发了一系列BIM设计和应用软件。既有辅助软件设计软件、核心数据库和BIM设计软件，三者是互相关联、动态地构成了一个整体。创建云平台的关系数据库及处理点、线、面、体等对象的空间数据库，实现设计信息及模型信息的分类处理，提高平台响应时间。

由于铁路专业较多，在数据库设计时，需要考虑各专业间数据一致性，采用云平台的关系数据库，通过现场总线、工业以太网、以太网、无线局域网等，构建多协议、多类型融合的信息传输网络，实现系统间的数据传输。通过统一访问接口，处理数据信息，实现各专业间数据共享。针对BIM设计中大量的三维空间信息，创建空间数据库。空间信息计算时，根据不同的环境，采用最短路径求解，通过有范围查询、最近邻(反向最近邻)、skyline 查询、动态道路网下最短路径查询和路径规划等手段快速获得最短路径。利用空间关键字查询(spatial keyword search)，通过将空间位置与文本结合，查询同时符合空间和语义条件约束的对象，将空间索引与文本索引或位图技术相结合构成混合索引结构，支持同时对空间和文本数据的查询以减少搜索范围。

3.2.3云服务同步机制

建立本地数据库与企业私有云服务数据库的同步机制，建立云端构件库和空间库，实现数据的同步与共享，实现专业内、专业间和院内外协同设计。

图4 云服务同步机制网络图

云端的构件库的构件种类覆盖常用类型、构件信息按照数据存储标准编制，支持标准化构件批量调用、导入、在线查看和修改。云端的空间库涵盖主要前置专业的常用尺寸空间模块，用于搭建基于参数驱动的低精度前置专业模型，以便满足信号专业独立场景下进行的BIM设计和应用需求。

构件库与空间库的组合设计能够满足基于云端的数字化高效设计需求，并通过信号设计平台接入院协同设计平台，为全专业、全参与方协同设计提供便利的交互条件。

3.2.4电缆自动布设技术

受限于目前的BIM建模软件对信号电缆建模的支持程度，以及信号电缆智能排布算法的缺失，既有电缆建模自动化程度低，无法大规模应用，影响BIM技术的价值的发挥。

车站信号室外电缆径路BIM设计的重难点主要包括：电缆种类多、连接关系复杂，电缆路径选择多、最优路径不宜选择，电缆弯曲半径控制和避免交叉等方面，既有二维设计已经将室外设备连接关系数据化，是解决以上重难点问题的有利条件。软件基于室外设备连接关系数据、位置数据和电缆布设规则等建立数学模型，通过Floyd-Warshall算法和拓扑排序算法等进行抽象算法处理，再利用BIM的虚拟性和可视化进行简单的交互优化，最终得到分类分层、转角自然、不交叉的BIM电缆径路图。

3.2.5铁路数字工程技术

铁路数字工程的要求主要包括：（1）属性较为完善，需从设计阶段至施工阶段至运营阶段全过程的属性；（2）部件分解符合IFD、工程分解符合EBS；（3）数字工程的几何属性符合设备真实信息；（4）数字工程的空间位置符合工程的真实信息。

国铁集团工程管理中心下发通知，以酒额铁路、西十高铁数字工程认证试点为依托，以四电工程为先导，建立铁路数字工程认证体系。依托试点项目，软件通过分析铁路工程信号专业的实际需求，结合信号专业设备及工程（建筑工程、安装工程）要素，按照数字设备及数字工程两大类生成信号BIM设计成果，在酒额铁路数字工程试点项目中形成了《铁路四电专业数字工程属性信息检测标准》、《铁路四电专业数字工程空间信息检测标准》及《四电专业数字工程检测细则》，初步验证了满足设计期给施工期交付的数字工程信息模型要求和工程建设全生命周期应用需求。

4 软件功能模块设计及应用

4.1功能模块设计

基于数据驱动的铁路信号设计软件，通过数字信息，创建铁路信号站场BIM模型，将厂家信息、设计信息等数据融合进BIM模型，形成动态可维护的满足BIM全生命周期应用的数字工程模型。基于对信号BIM设计的分析和应用，实现设备自动布放、工程量统计等功能。

基于整体数据架构，在MicroStation平台上进行二次开发，实现相关BIM设计功能，主要模块有：信息数据库维护，识别站场股道中线，读取站场股道信息并入库，基于设备与股道的相关关系信息智能放置车站信号设备，建立设备目录树，查询信号设备信息等。

图5 软件主要功能模块

4.1.1基础信息管理模块

基于云平台的数据库为基础信息管理模块提供数据支撑，通过云服务，调用数据层API接口，获取车站信息、股道信息、设备信息等资料，对BIM模型进行处理，以满足信号BIM设计要求。

车站信息：设置车站信息，包括车站起始里程、车站中心里程、车站类型等。如图6所示。

股道信息：设置股道信息，包括股道起始里程、轨道类别、股道名称等。在模型空间中选择股道对象，定义股道信息。

设备信息：设置设备信息，包括信号机、应答器、道岔设备等设备类型，设置设备名称、设备里程、设备所属股道、设备位于股道左右侧、设备朝向等信息。

图6 车站信息表

4.1.2设备布防功能模块

设备布放功能支持设备根据数据自动布放、单个放置、批量调整设备参数、设备定位等功能，根据《铁路信号设计规范》及《高速铁路信号工程细部设计和工艺质量标准》等设计规范的规定，并通过调用空间模型信息，使用空间数据库，采用空间及索引搜索算法，计算各设备在空间中位置信息，放置相应设备，并自动填写设备属性信息，如设备编号、设备里程、设备类别等。创建设备目录树，对模型中所有设备统一管理，并能定位该设备，查看设备模型。为应对设计变更所带来的的模型信息的变化，提供批量调整工具，快速修改BIM模型。如图7所示。

自动布放设备：读取设备工程表，设备字典信息表等信息，计算设备空间坐标点及旋转角度，自动布放设备。

单个设备放置：选择设备，设置设备名称、设备所属股道、股道左右侧、设备里程等信息，计算设备空间坐标点及旋转角度，放置设备。

批量调整设备：根据设备类型、所属股道等选择条件，批量调整设备距股道距离，设备高程等空间信息。

图7 车站信号设备局部细节图

4.1.3工程量统计模块

针对BIM模型中用到的设备、线缆等统计工程量，并统计出模型设备、线缆详单，验证BIM模型数据与二维设计数据是否一致。

设备目录树：建立设备目录树，按类别显示设备列表，通过设备列表定位并高亮设备模型,导出设备列表到Excel。

工程数量表：统计模型空间中设备工程数量表，并在模型空间中绘制工程数量表，导出工程数量表到Excel。

图8 信号设备目录树

4.1.4工具箱模块

BIM模型体量较大，数据繁多，通过软件为用户提供一些工具，提高用户设计效率。提供显示、隐藏对象功能，查看设备内部细节；自动测距功能，测量两个设备间真实距离；沿路径拉审成面/体功能，针对信号BIM设计，自定义参数完成如线缆、沟槽等创建工作；沿径路不规则间距布放，通过用户交互，输入信息，批量放置设备。

显示对象：此功能用于显示模型中所有隐藏对象。

隐藏对象：此功能用于隐藏选择的对象，便于BIM设计。

查找股道：根据股道编号，查找股道，定位并高亮该股道到模型视口中。

查找设备：根据设备编号，查找设备，定位并高亮该设备到模型视口中。

修改设备：修改设备编号、里程、设备在线路左右侧等信息，修改后设备在模型空间中自动更新到对应位置。

属性管理：根据Excel模板表，读取Excel属性数据，把属性信息批量添加到所选择对象上。

自动测距：选取两个模型对象，自动计算两个对象间最近距离。

沿路径拉伸成面、体：选择截面对象，在选择路径元素，并设置面或体的每段拉伸长度，沿路径拉伸成面或体。

沿路径等间距布放：选择需要布放的对象，在选择路径元素，设置布放对象距路径的偏移距离，布放对象按路径等间距布放。

数据点成线：根据点坐标数据，两点间半径信息生成线路。

4.1.5数据维护模块

用于道岔、信号机、转辙机、箱盒、应答器等信号设备数据的维护，以及导出数据资料和导入数据资料的配置。

维护道岔信息：设置道岔型号，道岔转辙机放置参数等信息。

维护其他设备信息：设备包含信号机、箱盒、应答器等类型；设置设备型号，设备在不同线路类型时距股道中线的距离。

导出数据资料：通过该功能可以将程序中所有自定义的数据导出到一个bak文件中，可以备份、共享应用程序的配置数据。

导入数据资料：通过该功能能够导入已经存在的数据资料备份文件（必须是本软件导出的数据备份文件），能够共享其他计算机上配置的数据资料。

图9 车站信号设备局部细节图

4.2 工程应用实例

基于数据驱动的铁路信号BIM设计平台，已在银西高铁、西十高铁、酒额铁路、西宁至成都铁路等项目信号BIM工程中进行了试点和应用，目前正在济滨高铁、南玉高铁等项目进行推广应用，实现了信号车站室外、区间室外设备的快速建模，大大提高了设计效率，同时软件平台在构件库完善、自定义属性信息、目录树管理、数据互用及提取等方面得到了优化。

4.2.1工程概况

以西十高铁为例，西十高铁线路正线全长265.771km，其中新建正线全长259.717km。全线正线共设车站6处（西安东站、蓝田站、商洛西站、山阳站、漫川关站、郧西站），隧道工程总计203.552km/38座，桥梁全长约42.474km。如图10所示。

图10 西十高铁示意图

4.2.2工程应用实践

针对西十高铁信号专业BIM设计需求，围绕实施目标、实施标准及依据、设计资源、设计行为、设计协同等方面编制《信号专业BIM设计指导书》，完成以数据（库）为核心的工程图纸出图、算量、模型创建等关键技术及实施方案的研究及实践。

（1）模型构件库的创建及管理：按照铁路工程单项工程（IFD51表）、铁路工程构件（IFD53表）、铁路工程产品（IFD58表）和信号设备安装空间组建单元库，西十工程信号单元库分为室外工程、室内工程，室外工程主要包括信号机、转辙设备、应答器、各种箱盒等。

（2）信号专业BIM设计主要工作流程：设计所需资料输入（本专业资料、协同工作平台中各专业互提资料等）→信号专业BIM模型创建→BIM模型应用（虚拟展示、查询定位、设计优化等）→成果交付（信息化BIM模型），如图11所示。

图11 西十高铁BIM设计流程图

（3）BIM设计：按照“接口数据获取→信号专业数据建立→模型设计”的流程进行信号专业BIM设计工作。读取信号车站信号平面设备布置图、电缆径路图的成果数据，识别车站三维线条图，根据所属轨道、线路中线、轨面高程、路基截面等计算水平、垂直方向偏移量，确定信号设备位置，依据计算分析及信号专业对设备的空间要求进行快速建模。如图12所示。

图12 西十高铁BIM设计成果例图

（4）BIM模型应用：利用自研的轻量化平台，进行信号专业的BIM模型应用，如细部设计展示、设备检索定位、碰撞检查、优化设计等应用。

5 结语

本文从背景情况、需求分析、技术路线、软件开发等方面研究了基于数据驱动的铁路信号BIM设计技术和平台相关内容，重点针对铁路信号专业的特殊性，充分利用既有辅助设计成果和新技术赋能，解决铁路信号BIM设计标准化、信息化和自动化的问题。该平台实现了取代铁路信号专业传统翻模方式的同时，基本实现了铁路信号专业BIM正向、协同设计的目标，填补了国内外各主流BIM设计平台铁路信号BIM设计专业化和本地化的空白，对推动铁路设计行业BIM正向设计技术的发展发挥了一定的积极作用。

同时，铁路信号BIM设计技术研究工作仍存在不足，如需要进一步研究如何利用BIM的仿真性验证信号电路设计正确性、联锁表正确性等BIM应用问题，进一步研究基于BIM模型自动获取专业间接口数据的方法等。从行业角度来看，铁路BIM技术标准的将逐步完善，以此为基础，构建标准化、模块化、智能化设计体系，加快BIM技术创新和应用，以点带面实现铁路全专业BIM正向设计将成为未来发展方向，而铁路信号BIM设计技术也是其中重要组成部分。

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